RMIT 研究チームが従来の合金より 50% 強度の高い新しい超強力チタン構造を開発

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-4-22 11:38 に最後に編集されました

2024年4月22日、アンタークティックベアは、ロイヤルメルボルン工科大学（RMIT）の研究者が3Dプリント技術を使用して超強力なチタン構造物を作成することに成功したことを知りました。彼らは、チタン粉末をグラフェンと混合し、レーザーで溶融することで、優れた強度と耐久性を備えたチタン合金を作成する新しい方法を開発しました。この合金は、現在航空宇宙用途で使用されている同様の密度の次に強い合金よりも 50% 強力です。

△研究成果は「並外れた強度を持つチタンマルチトポロジカルメタマテリアル」と題してAdvanced Materialsに掲載されました（ポータル）
先進的な製造業のためのより理想的な構造設計のアイデア

この素材の格子構造はもともと、ビクトリアスイレンや丈夫なオルガンパイプコーラルのような丈夫な中空の茎を持つ植物など、自然界からインスピレーションを得たもので、軽さと強さをどのように組み合わせることができるかを示しています。しかし、何十年にもわたってこれらの中空の「セル構造」を金属で再現する試みがなされてきたにもかかわらず、製造可能性や中空支柱内部の負荷応力の集中などの問題により、成功には至っていません。

研究チームは、金属 3D プリント設計を限界まで押し上げることで、応力分布をより均一にする新しい格子構造を最適化し、強度や構造効率を向上させました。

△ 圧縮試験では、（左）中空支柱格子に赤と黄色の応力集中が見られますが、（右）二重格子構造では、応力がより均等に分散され、ホットスポットを回避しています。研究者は次のように述べています。「理想的には、すべての複雑なセル材料の応力は均等に分散される必要があります。ただし、ほとんどのトポロジでは、通常、材料の半分未満が主に圧縮荷重を負担し、材料のより大きな体積は構造的に重要ではありません。私たちは、内部に薄いリボンを備えた中空の管状格子構造を設計しました。これら 2 つの要素を組み合わせることで、自然界では見られなかった強度と軽さが実現します。2 つの補完的な格子構造を効果的に統合して応力を均等に分散することで、応力が集中する弱いポイントを回避できます。」

△RMIT付加製造センターの研究者マーティン・リアリー教授、馬千教授、ジョーダン・ノロニャ教授、ミラン・ブラント教授は、RMIT大学の先進製造ゾーンでレーザー粉末床融合技術を使用して設計を3Dプリントしました。テスト結果によると、印刷されたデザイン (チタン格子立方体) は、航空宇宙用途で使用される同様の密度を持つ最も強力な合金である鋳造マグネシウム合金 WE54 よりも 50% 強力でした。新しい構造により、格子の弱い部分に集中する応力が実質的に半分に削減されます。二重格子設計により、亀裂が構造に沿って逸らされ、さらに靭性が向上します。

△ 博士課程の学生が、立方体の形に3Dプリントされた新しいチタン格子構造のサンプルを手に持っている。この研究の主執筆者で、ロイヤルメルボルン工科大学の博士課程の学生であるジョーダン・ノロニャ氏は、数ミリメートルまたは数メートルの大きさの構造を作るために、さまざまな種類のプリンターを使用できると述べた。この印刷可能性は、強度、生体適合性、耐腐食性、耐熱性とともに、骨インプラントなどの医療機器から航空機やロケットの部品に至るまでのさまざまな用途に最適です。

「高強度と軽量の両方が求められる商業用途で現在使用されている最高強度の鋳造マグネシウム合金と比較すると、当社のチタンメタマテリアルは同等の密度を持ち、はるかに強度が高く、圧縮荷重を受けても永久的な形状変化を起こしにくい。これにより、製造プロセスがはるかに実現可能になり、実現が容易になる」とノロニャ氏は述べた。

△この研究は、材料科学、工学、コンピュータ支援設計などの複数の分野にまたがり、新しい材料構造の設計と性能特性を探求し、材料設計と製造のための新しいアイデアと方法を提供することを目指しています。
RMIT の次なる目標は何でしょうか?

RMIT先端製造業ゾーンのテクニカルディレクターで名誉教授のミラン・ブラント氏は、チームはより多くの企業からの支援と協力を歓迎していると語った。「私たちのアプローチは、共同設計、知識の交換、実務に基づく学習、重要な問題の解決、研究結果の翻訳を通じて課題を特定し、機会を創出することです」と彼は語った。

チームは、最大限の効率を達成するために材料をさらに改良し、より高温の環境での用途を模索する予定です。この素材は現在350℃までの温度に耐えられるが、より耐熱性の高いチタン合金を使用すれば、航空宇宙用ドローンや消防用ドローンに使用でき、600℃までの温度に耐えられるようになると研究者らは考えている。この新しい材料を製造する技術はまだ普及していないため、業界がこの材料を採用するまでには時間がかかる可能性があります。

「従来の製造プロセスは、これらの複雑な金属メタマテリアルの製造には実用的ではありません。また、誰もが倉庫にレーザー粉末床融合機を持っているわけではありません」とノロニャ氏は言います。「しかし、技術が発展するにつれて、よりアクセスしやすくなり、印刷プロセスが高速化して、より多くの人が当社の高強度マルチトポロジーメタマテリアルを部品に使用できるようになります。重要なのは、金属 3D 印刷技術は、実用的な用途向けにネットシェイプに簡単に製造できることです。」

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